CN102290318B - 一种多极杆质子转移反应装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多极杆质子转移反应装置，包括一供质子供体和分析物进行质子转移反应的漂移管，所述漂移管的前端设有质子供体入口和供样品分子和载气引入的载气引入通道，所述漂移管的后端设有载气引出通道和分析物离子出口，所述漂移管内设有分段多极杆，所述分段多极杆连接有可控的升压射频电源。本发明通过控制加载在分段多极杆上的升压射频电压的幅值，能够很好的控制离子束的截面，使得在前端质子转移反应的横截面大，实现最大程度的质子转移反应，在后端减小离子束的截面，实现对离子聚焦和中性分子阻挡，提高离子传输率，避免了中性分子对质谱分析仪的污染，提高了仪器的灵敏度。

Description

一种多极杆质子转移反应装置
技术领域
本发明涉及离子传输领域，尤其是一种多极杆质子转移反应装置。
背景技术
质谱是对分子结构分析最精确的方法之一，可用来对未知物进行定性分析和对混合物中已知组分进行定量检测。离子源是质谱仪器的关键部分。最常用的离子源为EI（electron ionization）源，它采用高能电子束轰击样品，从而使样品发生电离产生电子和分子离子。原理如下：
Figure 2011101837541100002DEST_PATH_IMAGE001
M+可继续断裂并进行分子重排，产生多种碎片离子。EI源的电离效率高，重复性好，并已有完整的谱库，是目前使用最广泛的离子源。但EI源产生的碎片峰较多，对于混合未知物的解谱非常困难。为了解决这一问题，产生了一系列的软电离（soft ionization）方法。
化学电离（chemical ionization，CI）就是EI的基础上发展的一种典型的软电离的方式。它通过引入一种反应气体(通常是甲烷等)，使电子首先轰击反应气体产生相关的反应气体分子离子，然后再与样品分子发生离子分子反应，一般产生样品分子的准分子离子因此质谱图简单，能够快速确定样品的分子量而被广泛应用。质子转移离子源就是CI源的一种，可用来与质谱分析器结合形成了目前最常用的用来实时、在线检测大气中的挥发性有机物（VOCs）的质子转移质谱仪（PTRMS）仪器装置。质子转移反应离子源是通过初始反应离子与样品分子发生质子转移反应（proton transfer reaction）的原理从而使待测分子带上质子，然后通过质量分析器进行检测分析。初始反应离子一般通过对水蒸气和空气的混合气体进行放电产生水合氢离子（H3O+），并以其作为反应离子，然后在漂移管中与待测样品分子发生质子转移反应，使得样品分子离子化。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于多极杆的质子转移反应装置。所述装置可以控制质子转移反应截面的大小，并能对反应的离子束进行调节，使得离子聚焦，并在一定程度上阻挡中性分子进入到后续的质谱分析器内。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种多极杆质子转移反应装置，包括一供质子供体和分析物进行质子转移反应的漂移管，所述漂移管的前端设有质子供体入口和供样品分子、载气引入的载气引入通道，所述漂移管的后端设有载气引出通道和分析物离子出口，所述漂移管内设有分段多极杆，所述分段多极杆连接有可控的升压射频电源。
进一步，所述分段多极杆为分段四极杆、分段六极杆或者分段八极杆；所述漂移管为密封进行质子转移反应和离子调节的真空腔。
进一步作为优选的实施方式，所述升压射频电源的电压幅值可变，幅值为-10KV~10KV。
进一步，所述质子供体为水和氢离子；所述载气为氮气、空气、稀有气体或者其他永久气体。
进一步作为本发明的该进，所述漂移管还设有使分段多极杆恒温的加热装置。
本发明的有益效果是：本发明通过控制加载在分段多极杆上的升压射频电压的幅值，能够很好的控制离子束的截面，使得在前端质子转移反应的横截面大，实现最大程度的质子转移反应，在后端减小离子束的截面，实现对离子聚焦和中性分子阻挡，提高离子传输率，避免了中性分子对质谱分析仪的污染，提高了仪器的灵敏度；本发明在漂移管上加装加热装置，加强了表面分子的热运动和离子的活性，减少离子传输过程中的损失。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
图1是分段四极杆质子转移反应区结构示意图；
图2是分段四极杆质子转移反应区离子传输效果图；
图3是分段四极杆结构图；
图4是分段四极杆轴向侧视图；
图5是分段四极杆正面视图；
图6是分段四极杆轴向截面图；
图7是分段四极杆质子转移离子源装置三维示意图；
图8是分段四极杆质子转移离子源装置的剖面图。
标记说明：
1  质子供体入口
2  载气引入通道
3  漂移管
4  载气引出通道
5  分析物离子出口
6  空心阴极管的阳极板
7  空心阴极管的阴极板
8  调节电极
9  第一隔板
10 真空腔
11 质谱分析器接口座
12 第二隔板。
具体实施方式
参照图1,一种多极杆质子转移反应装置，包括一供质子供体和分析物进行质子转移反应的漂移管3，所述漂移管3的前端设有质子供体入口1和供样品分子和载气引入的载气引入通道2，所述漂移管3的后端设有载气引出通道4和分析物离子出口5，所述漂移管3为密封进行质子转移反应和离子调节的真空腔，所述漂移管3内设有分段四极杆，所述分段四极杆连接有可控的升压射频电源。
所述分段四极杆作为控制质子转移反应截面的电场载体，上面加有升压射频电源，所述升压射频电源是在高压射频基础上，对此高压射频进行变换分成多个升压的高压射频源，并在多个高压射频源基础上添加梯度直流压降，最终实现了高压射频、升压射频及直流梯度。升压射频电源既用于控制离子束截面最终实现了离子束聚焦，同时又提供了梯度直流电压推动离子传输，避免团簇离子的产生。
所述漂移管3为真空腔，用以密封进行离子反应和离子调节的区域，避免被大气中的物质干扰，并实现了质谱的差动真空。
所述升压射频电源的电压幅值可变，幅值为-10KV~10KV。所述射频电压的幅值越大，离子束的截面越小，因此，需要在分段四极杆上进行射频升压，在前段质子转移反应区需要的离子束截面很大，便于质子转移的发生，质子转移反应后就需要缩小离子截面，聚焦的离子束便于离子引入和质谱分析器的分析。
所述质子供体为水和氢离子；所述载气为氮气、空气、稀有气体或者其他永久气体，空气中的分析物（VOCs等）伴随载气从载气引入通道2进入漂移管3。
图2给出了分段四极杆质子转移反应离子传输的效果图，所述离子束的截面从左到右逐渐变小，最终聚焦便于后续质谱分析器的分析。
参照图3，分段四极杆首先将四极杆分段，再以绝缘体为轴，以圆环作分段四极杆的实现形式。
图4是分段四极杆的轴向侧视图；
图5是分段四极杆的正面示意图；
图6为分段四极杆的轴向截面图；
参照图7-图8，包括对水蒸气进行放电电离的空心阴极管的阳极板6和空心阴极管的阴极板7，其后连接有可调节控制的调节电极8，产生的电场对水蒸气相关离子进行调节，所述调节电极8与质子转移反应区之间设有第一隔板9，第一隔板9后连接有真空腔10，所述真空腔10内设有漂移管3,所述漂移管3前端设有供空气载气与包含在其中的分析物（VOCs等）引入的载气引入通道2，漂移管3内设有分段多级四极管，漂移管3的后部设有将质子转移反应离子源与质谱分析器隔开的第二隔板12，所述第二隔板连接有质谱分析器接口座11，所述漂移管3后端的分析物离子出口5贯穿第二隔板12和质谱分析器接口座11，将质子转移反应后的离子传输给质谱分析器。
进一步作为改进，所述漂移管3还设有使分段多极杆恒温的加热装置，使离子与杆碰撞后在表面分子的热运动下弹回，减少离子的损失。
本发明的具体参数如下：
射频电压：1Hz～3GHz，-10KV～10kV，方波、正弦波以及其他周期性波形；
工作压力：10-4Pa～10kPa（真空负压）；
载气：氮气、空气、稀有气体等永久气体；
分段升压射频多极杆包括四极杆，六极杆，八极杆等，可以是纯金属的，也可是是镀了金属的电极。
本发明主要是对质子转移反应区即漂移管部分的改进，通过分段多极杆为质子转移离子源装置提供质子转移反应室。分段多极杆可以提供类似典型质子转移反应的漂移管的电场，并且分段多极杆可以通过对射频电压的控制来控制离子束的截面积，从而在前段质子转移反应的横截面大，实现最大程度的质子转移反应，在后端减小离子束的截面，实现对离子聚焦和中性分子阻挡，提高离子传输率，避免了中性分子对质谱分析仪的污染，提高了仪器的灵敏度并延长了检测器的寿命。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.一种多极杆质子转移反应装置，包括一供质子供体和分析物进行质子转移反应的漂移管（3），所述漂移管（3）的前端设有质子供体入口（1）和供样品分子、载气引入的载气引入通道（2），所述漂移管（3）的后端设有载气引出通道（4）和分析物离子出口（5），其特征在于：所述漂移管（3）内设有分段多极杆，所述分段多极杆连接有可控的升压射频电源。
2.根据权利要求1所述的一种多极杆质子转移反应装置，其特征在于：所述分段多极杆为分段四极杆、分段六极杆或者分段八极杆。
3.根据权利要求1所述的一种多极杆质子转移反应装置，其特征在于：所述漂移管（3）为密封进行质子转移反应和离子调节的真空腔。
4.根据权利要求1所述的一种多极杆质子转移反应装置，其特征在于：所述升压射频电源的电压幅值可变，幅值为-10KV~10KV。
5.根据权利要求1所述的一种多极杆质子转移反应装置，其特征在于：所述质子供体为水合氢离子。
6.根据权利要求1所述的一种多极杆质子转移反应装置，其特征在于：所述载气为氮气、空气、稀有气体或者其他永久气体。
7.根据权利要求1所述的一种多极杆质子转移反应装置，其特征在于：所述漂移管（3）还设有使分段多极杆恒温的加热装置。
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